Nature：克拉通巖石圈地幔的成因模型

Nature：克拉通巖石圈地幔的成因模型

克拉通是地球上古老而又穩定的大陸地塊。克拉通的巖石圈地幔是金剛石的寶庫，它們形成於25億年前的太古宙和16-25億年前的古元古代(Peslier et al., 2010; Lee et al., 2011)。克拉通型巖石圈地幔具有明顯的特徵：厚度巨大（可達300km）、密度較低、虧損玄武質成分、高度難熔、低溫梯度低(Lee et al., 2011)，而且巖石圈地幔的年齡越古老，密度就越小，密度小的原因在於其特定的化學組成。

古老的克拉通巖石圈地幔是在地球演化的早期階段經過殼幔分異事件之後形成的，它們是原始地幔（主要由易熔的二輝橄欖巖組成）經過高程度的部分熔融，大量玄武質熔體被抽取之後殘餘的難熔組分（以難熔的方輝橄欖巖為主），因此，古老的克拉通巖石圈地幔具有明顯富Mg、貧Fe、高度難熔的組成特徵。玄武質熔體被大量抽取之後，古老克拉通巖石圈地幔的密度小於下伏的軟流圈，因此，它能夠像船一樣長期「漂浮」在軟流圈之上。克拉通的巖石圈地幔具有機械抵抗力(Arndt et al., 2009)，能夠防止由於地幔對流而造成的破壞，因而能夠長期存在。

古老克拉通的巖石圈地幔是如何形成的？儘管科學家們針對這一問題開展了大量的研究，然而，目前對克拉通巖石圈地幔成因的認識仍然存在明顯的分歧。分歧的焦點主要集中在兩種不同的學術觀點：熔融模型和堆積模型。

第一種觀點（熔融模型）認為，克拉通巖石圈地幔是通過地幔物質底闢上升、地幔倒轉、或者地幔柱攜帶地幔過渡帶的物質上升並發生高程度熔融形成的(Boyd, 1989; Stein and Hofmann, 1994)，因此它們代表高度虧損玄武質熔體、相對乾燥、低密度的熔融殘餘。該模型容易被大家接受，因為它能夠合理地揭示很多觀測到的現象，比如巖石圈地幔的低密度現象（高程度熔融的結果）、有浮力(Boyd, 1989; Stein and Hofmann, 1994)、巖石圈的厚度與年齡具有正相關性，無水地幔橄欖巖捕虜體的發現指示巖石圈地幔具有足夠的粘度而不受下伏軟流圈的影響(Peslier et al., 2010)。根據該模型可以預測，在地幔物質減壓熔融的過程中，由於上部地幔物質的熔體抽取程度更高，因此地幔熔融柱頂部的密度應相對較低，而巖石圈地幔底部的密度應相對較高。然而，熔融模型所預測的巖石圈地幔化學分層與其他學者的觀測資料和工作模型(Lee et al., 2011)所預測的結果有很大出入。

關於克拉通巖石圈地幔成因的第二種學術觀點（堆積模型）認為，古老的克拉通巖石圈地幔最初是通過俯衝的大洋地殼及其最初形成于洋中脊的虧損地幔疊置堆積而成(Helmstaedt and Schulze, 1989; Beall et al.,2018)。該模型也成功地解釋了一些地質現象，比如，巖石圈地幔巨大的厚度、巖石圈地幔相對於大洋巖石圈虧損玄武質熔體，以及克拉通地區金伯利巖中產出的榴輝巖捕虜體具有大洋地殼的地球化學特徵。然而，堆積模型也存在著一些問題，比如，難以解釋大洋巖石圈中相對大量的古大洋地殼物質與金伯利巖地幔捕虜體中相對稀少的榴輝巖捕虜體之間的不一致性(Arndt et al., 2009; Lee et al., 2011)。此外，由於古老的俯衝板片中含有相當厚度的大洋地殼，它可能會受到板塊斷裂和/或板塊後撤的影響而不能發生多重堆積(Perchuk et al., 2019)。

為了解決上述存在爭議的科學問題，一種新的替代模型——熱-機械模型被提出(Sizova et al., 2010; Perchuk et al., 2019)，並在最近得到了進一步的發展。近期，Perchuk et al.（2020）在Nature上發表論文，建立了二維高解析度巖漿-熱-機械模型，通過模擬研究，他們發現：在太古代板塊構造開始之後，位於俯衝大洋板塊之下具有正浮力和韌性、虧損玄武質熔體的、熱的地幔層，在大洋板塊俯衝的過程中，不能隨著大洋板塊同步俯衝（圖1），而是滯留於鄰近的大陸板塊之下，形成具有克拉通規模的粘性原始陸核。之後，隨著地溫梯度的下降，侵位於大陸之下具有高粘滯度的虧損地幔層也隨之降溫，與大陸合為一體，成為古老克拉通的巖石圈地幔。根據大陸巖石圈地幔的厚度估算表明，該模型所展示的動力學機制在古老克拉通巖石圈的主要形成時期是有效的。因此，前寒武紀時期攜帶高度虧損地幔層的大洋板塊俯衝作用是陸下巨厚巖石圈地幔形成的先決條件，由於巨厚巖石圈地幔的存在，使得古老的克拉通在隨後的板塊構造過程中得以長期保存。這項研究為第二種觀點提供了新的證據：古老克拉通巖石圈地幔是通過早期大洋板塊俯衝引起的板片堆積形成的。

圖1 克拉通巖石圈地幔形成動力學模型示意圖（Perchuk et al., 2020）。（a）板塊構造開始的早期，大洋板塊攜帶高度虧損的地幔一起運動，並發生俯衝；（b）粘性的虧損地幔不能隨著大洋板塊同步俯衝，滯留在相鄰的大陸之下形成最初的陸核。地幔過渡帶的滯留板片底闢上升，疊置於地幔核之下，成為陸核的下部層位；（c） 隨著地溫梯度的下降，疊置的地幔層溫度降低，從而形成古老克拉通的巖石圈地幔。

主要參考文獻

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校對：張騰飛